WO2004062082A1 - Control method for an electrical drive - Google Patents

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WO2004062082A1
WO2004062082A1 PCT/DE2003/003886 DE0303886W WO2004062082A1 WO 2004062082 A1 WO2004062082 A1 WO 2004062082A1 DE 0303886 W DE0303886 W DE 0303886W WO 2004062082 A1 WO2004062082 A1 WO 2004062082A1
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control method
motor
current
thermal
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PCT/DE2003/003886
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Ansgar Ackva
Thomas Reckhorn
Helmut Schneider
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/06—Limiting the traction current under mechanical overload conditions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
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    • B60L2240/10—Vehicle control parameters
    • B60L2240/36—Temperature of vehicle components or parts

Definitions

  • the invention relates to a control method for an electric drive with a motor powered by a power converter.
  • a drive is used in a large number of electrical machines, in particular in an electrically operated motor vehicle.
  • the control procedure is primarily used to protect the motor and the upstream converter against overheating.
  • an electric vehicle drive is exposed to highly fluctuating load conditions. These include load peaks at a high engine speed, as well as load situations that are associated with a low engine speed or even an engine standstill in sometimes rapid alternation. The latter include, for example, start-up processes under high load, e.g. on the mountain, or in high frequency, e.g. in rush hour.
  • the components of the drive are usually designed to be oversized. This means that the components of the drive are not or only rarely operated at full load in all of the intended operating states, and overheating is avoided. This overdimensioning manifests itself disadvantageously in that the drive is comparatively large and heavy with relatively low power. Due to the powerful components, an oversized motor is also comparatively expensive. In particular, in the case of a drive for an electrically operated passenger vehicle, on the other hand, a low weight and a small size of the drive are of crucial importance. Furthermore, there is a comparatively high need for cost savings in this area.
  • a control method can be used that monitors certain operating parameters of the drive and reduces the engine power in the event of an impending overload situation. Temperatures which are measured by means of a temperature sensor in the current converter and / or in the motor are often used as the operating parameters to be monitored and thus as a guideline for the control. However, it is extremely difficult from a technical point of view to regulate the engine output based on the measured temperatures as required. The reason for this is, on the one hand, that the drive is thermally loaded in different ways in different load situations. In other words: depending on the special load situation, potentially life-threatening temperatures preferably occur at different points on the drive. To record these load situations overall using measurement technology requires complex and cost-intensive measurement technology.
  • the temperature measurement cannot be carried out, or only in a structurally complex manner, at those locations of the drive where power loss occurs.
  • this power loss arises above all in the barrier layer of the power component (s), which are usually embodied in semiconductor technology, in particular diodes and transistors. Since the power loss occurs mainly in the junction of the or each power component, the highest temperature occurs here within the converter. In contrast, the heat generated by the power loss only reaches the temperature sensor in a weakened and delayed manner. With rapidly changing load conditions, a critical thermal load can occur before it is detected by the sensor. A certain oversizing of an electric drive is therefore necessary even when using a conventional control method.
  • a method is known from WO 94/21020 A1 in which the current junction temperature of a semiconductor component is calculated from a measured temperature.
  • the thermal conductivity of the material path between the temperature sensor and the barrier layer is simulated here by a so-called n-degree thermal model.
  • the thermal model is adapted to the real thermal conductivity of the converter by suitable selection of the thermal resistances and heat storage capacities. In this way, the current junction temperature can be precisely calculated using the thermal model based on the currently measured sensor temperature and the known power consumption of the monitored power component.
  • a deficiency of the known thermal model is that it assumes that the thermal conductivity is constant over time.
  • the thermal conductivity depends on various environmental variables, such as the ambient temperature.
  • the known thermal model is only of limited use for the precise calculation of the junction temperature.
  • the invention has for its object to provide a control method for an electric drive with a motor powered by a power converter, which allows a particularly good utilization while safely avoiding an overload condition.
  • a characteristic temperature which is characteristic of the current converter is then determined and used for setting the motor current and the switching frequency of the current converter.
  • the target temperature or size is understood to be a temperature that is taken into account when setting a parameter influencing the power loss arising in the drive in the sense of a regulation or control.
  • the first approach is based on the basic idea that particularly good utilization of the drive can be achieved by regulating the motor current if the regulating temperature used in the regulation particularly affects the actual temperature in areas of the drive that are at risk of overloading, in particular the power components of the converter reproduces precisely.
  • This approach starts from the input side of the control.
  • the junction temperature of at least one power component is particularly suitable as a target temperature.
  • the required precise calculation of the junction temperature is achieved simulatively by means of a thermal model, the reliability of which is considerably increased by the adaptation of at least one thermal resistance and / or a time constant to the ambient conditions.
  • the second solution starts within the regulation.
  • the control can react in a specific and different way to different load situations.
  • an operating state can be set in which the most stressed component of the drive is protected while at the same time maintaining the greatest possible drive power.
  • An environment variable to be used particularly appropriately for the adaptation of the at least one thermal resistance and / or the at least one time constant is the coolant inlet temperature of a coolant circuit assigned to the current converter The more liquid the coolant, the greater the coolant. However, the viscosity of a conventional coolant in turn increases significantly as the temperature drops.
  • the switching frequency of the current converter is preferably determined on the basis of a predetermined characteristic curve as a function of the target temperature and the electrical motor frequency - i.e. the rotational frequency of the rotating field in the motor - controlled, while the motor current is regulated on the basis of a setpoint / actual value comparison of the target temperature.
  • This combined control and regulation technology is particularly simple and thus allows a quick and targeted reaction to an overload situation that occurs.
  • the characteristic curve for controlling the switching frequency is expediently designed in such a way that the switching frequency is reduced when the target temperature exceeds a first limit temperature which is dependent on the electrical motor frequency.
  • a first limit temperature which is dependent on the electrical motor frequency.
  • the motor current is expediently reduced when the target temperature exceeds a second limit temperature.
  • the second limit temperature advantageously decreases towards high electrical motor frequencies.
  • the functional dependency of the second limit temperature takes into account the fact that the drive is operated in normal operation with a high electrical motor frequency during start-up processes only make up a negligible part of the life of the drive.
  • the control thus tolerates a harmless, brief heating to a comparatively high temperature when starting, so that a particularly high drive power can be generated without the control responding.
  • a damaging thermal load of the drive in normal operation due to the reduced second limit temperature is avoided.
  • the first and the second limit temperatures are in particular matched to one another in such a way that, at a low electrical motor frequency, the switching frequency reduction responds before the motor current is stopped, so that a particularly high starting current can be given to the motor for as long as possible.
  • the electrical motor frequency is high, the limitation of the motor current responds before the switching frequency is reduced. The latter would increase the power loss in the motor, which is anyway exposed to a high thermal load when the electrical motor frequency is high.
  • the motor temperature is used as an additional target temperature for regulating the motor current in order to be able to counteract thermal overloading of the motor safely.
  • the motor current is expediently reduced when the motor temperature exceeds a third predetermined limit temperature.
  • the switching frequency is set in such a way that the drive power loss is minimized for a given motor current.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electric drive with a current converter and an electric motor and a control unit for regulating the motor output
  • FIG. 2 shows a characteristic diagram in three-dimensional representation for setting the switching frequency of the current converter as a function of the electrical motor frequency and the junction temperature of a power component
  • 3 shows the characteristic diagram according to FIG. 2 in a projection onto the base area spanned by the axes of the electrical motor frequency and the barrier layer
  • FIG. 4 shows a diagram of a limit temperature used as a maximum permissible junction temperature as a function of the electrical motor frequency
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electric drive with a current converter and an electric motor and a control unit for regulating the motor output
  • FIG. 2 shows a characteristic diagram in three-dimensional representation for setting the switching frequency of the current converter as a function of the electrical motor frequency and the junction temperature of a power component
  • 3 shows the characteristic diagram according to FIG. 2 in a projection onto the base area spanned by the axes of the electrical motor
  • FIG. 5 in a diagram of the motor current or the switching frequency as a function of the junction temperature, exemplary control processes with a small electrical motor frequency and with a large electrical motor frequency
  • FIG A signal flow diagram shows a control mechanism for regulating the motor current
  • FIG. 7 shows a method for simulative calculation of the junction temperature in a signal flow diagram
  • FIG. 8 shows, for example, the dependence of a thermal resistance included in the temperature calculation according to FIG. 7 on the coolant inlet temperature of a coolant circuit assigned to the current converter.
  • FIG. 1 shows a diagram of an electric drive 1 in rough simplification.
  • the drive 1 comprises an electric motor 2, which is supplied with a motor current I by a current converter 3.
  • the drive 1 is preferably for a
  • the current converter 3 is in turn supplied with an input current I E by a battery (not shown).
  • the input current I E is converted in a known manner into alternating currents of variable frequency and strength. These are fed to the motor 2 as the motor current I for generating a magnetic rotating field driving the motor 2.
  • the current is converted within the current converter 3 by electronic current valves, usually formed by semiconductor components, which are indicated schematically in FIG. 1 by power components 4 and 5.
  • the power components 4 and 5 include, in particular, transistors and diodes. In the diagram according to FIG. 1, the power component 4 stands for one or more transistors. In contrast, the power component 5 symbolizes one or more diodes.
  • the power components 4 and 5 are switched on and off periodically and at intervals with a predetermined switching frequency f s . The power components 4 and 5 are thus periodically flowed through by current. In this case, a power loss P ⁇ or P D occurs at the semiconductor barrier layer (not shown in more detail) of each power component 4 and 5.
  • the indices "D" and “T” stand for “diodes” and “transistors”.
  • This power loss P D , P ⁇ occurs in the form of heat and leads to heating of the power components 4 and 5.
  • Characteristic of the thermal load on the power components 4 and 5 is their respective junction temperature ⁇ jD and ⁇ J ⁇ .
  • the heat sink 6 is in turn in heat-conducting contact with an only indicated coolant circuit 7, in which a liquid coolant W circulates.
  • the coolant W is, for example, water provided with additives for lowering the freezing point.
  • the coolant inlet temperature is characteristic of the cooling effect of the coolant circuit 7
  • junction temperatures ⁇ JD and ⁇ JT In order to prevent overheating of the power components 4 and 5 which is detrimental to the service life, precise knowledge of the junction temperatures ⁇ JD and ⁇ JT is desirable. However, it is technically impossible or very difficult to measure these junction temperatures ⁇ JD , ⁇ JT directly. Instead, a sensor temperature ⁇ s is measured by means of a temperature sensor 8 arranged in the heat sink 6, which sensor temperature is fed as a measured value to a control unit 9.
  • the time course of the sensor temperature ⁇ s reflects the time course of the junction temperatures ⁇ D and ⁇ JT accordingly only with a time delay and weakened.
  • the current junction temperatures ⁇ JD , ⁇ JT in control unit 9 are examined in more detail based on sensor temperature ⁇ s and with the help of one below described thermal model system 10 calculated simulatively.
  • the measured motor temperature ⁇ M and the rotational frequency of the rotating field in the motor 2, designated as the electrical motor frequency ⁇ e ⁇ , are available to the control unit 9 as further input parameters.
  • the control unit 9 detects a critical thermal load on the current converter 3 or the motor 2 and inputs Corresponding control signal Sf S for setting the switching frequency f s and a control signal Si for setting the motor current I to the " current converter 3.
  • the control method carried out by the control unit 9 for setting the switching frequency f s and the motor current I in accordance with requirements is described in more detail in FIGS. 2 to 6.
  • the control unit 9 determines the switching frequency f s to be set on the basis of a stored three-dimensional characteristic curve 11.
  • This characteristic curve 11 is shown in FIG. 2 in a three-dimensional diagram. 3 shows the characteristic curve 11, as it were, from below, ie in a projection onto the base area 14 spanned by the axes 12 and 13 of the electric motor frequency ⁇ e ⁇ and ⁇ j.
  • the maximum frequency f max here tends to be assumed at a low junction temperature ⁇ j and a large electrical motor frequency ⁇ e ⁇ .
  • the minimum frequency f min tends to be set at a high junction temperature ⁇ j and a low electrical motor frequency ⁇ e ⁇ .
  • the switching frequency f s is reduced from the maximum frequency f max to the minimum frequency f min .
  • the characteristic curve 11 is composed of flat surface pieces. Equivalently, however, it can also be designed as a smooth function with a continuous curvature behavior.
  • the switching frequency f s is set for a given motor current I in such a way that the power loss of the drive 1 is minimized.
  • the control unit 9 controls the motor current I.
  • the calculated junction temperature ⁇ j is again used as a guide variable for this control. This is compared as an actual value with a second limit temperature ⁇ 2 used as a setpoint, the functional dependence of which is shown on the electric motor frequency ⁇ e ⁇ n FIG 4.
  • the limit temperature ⁇ 2 is constant at a high value for small electrical motor frequencies ⁇ e ⁇ ⁇ 3 Hz and decreases to a comparatively low value for an intermediate electrical motor frequency cdei, in particular 3 Hz ⁇ e ⁇ ⁇ 10 Hz. For a large electrical motor frequency ⁇ e ⁇ ⁇ 10 Hz, the limit temperature ⁇ 2 remains constant at the comparatively low value.
  • the control mechanism described in more detail below is based on the fact that a demand-related increase in the motor current I up to a maximum motor current I is permitted as long as the junction temperature ⁇ j does not exceed the limit temperature ⁇ 2 . If, however, the junction temperature ⁇ j exceeds the limit temperature ⁇ 2 , the motor current I is reduced in such a way that the junction temperature ⁇ j goes back to the limit temperature ⁇ 2 . If the junction temperature ⁇ j again drops below the limit temperature ⁇ 2 , the control unit 9 in turn allows the motor current I to rise in a controlled manner. A comparison of FIGS.
  • the limit temperature ⁇ 2 relevant for current regulation exceeds that relevant for switching frequency regulation ⁇ i at a low electrical motor frequency ⁇ e ⁇ ⁇ 10 Hz.
  • the limit temperature ⁇ 2 which represents the maximum permissible junction temperature ⁇ j, is set particularly high in this case. This takes into account the fact that the current converter 3 copes with a brief, rare overheating without any noticeable loss in service life. On the other hand, the tolerance of the control with regard to such a brief overheating of the converter ensures that the drive 1 achieves a particularly high power output when starting up. In contrast, at a high electric motor frequency, the limit temperature ⁇ 2 is lowered to 130 ° C. in order to prevent the converter 3 from overheating in normal operation.
  • the control circuit for reducing the motor current I is shown again in detail in FIG. 6 in a signal flow diagram.
  • the current electric motor frequency ⁇ e ⁇ is fed to a first module 16.
  • the module 16 uses this to determine the relevant limit temperature ⁇ 2 , which is supplied to a comparison module 17 as a setpoint and is compared there with the calculated junction temperature ⁇ j.
  • the comparison module 17 outputs a differential temperature ⁇ j to a current controller 18. If the junction temperature ⁇ j exceeds the limit temperature ⁇ 2 , the current controller 18 generates a current reduction ⁇ l as an output value.
  • the motor temperature ⁇ M is compared with a third, characteristic-dependent limit temperature ⁇ 3 , a second current reduction ⁇ l M being generated if the limit temperature ⁇ 3 is exceeded by the motor temperature ⁇ M.
  • the motor current I is also fed as an input value to a temperature module 19, in which the junction temperature ⁇ j is calculated.
  • the temperature module 19 shown in simplified form in FIG. 6 executes the model system 10 comprising two thermal models 20 and 21.
  • the model 20 is adapted to the calculation of the junction temperature ⁇ T of the power component 4, while the model 21 is intended to calculate the junction temperature ⁇ JD of the power component 5.
  • Both thermal models 20 and 21 take into account the sensor temperature ⁇ s as an additional input variable.
  • junction temperatures ⁇ JT or ⁇ jo are advantageous in that, depending on the current operating state, the power component 4 - that is to say the transistors - or the power component 5 - that is to say the diodes - is subjected to greater thermal stress.
  • the higher value of the two junction temperatures ⁇ max ⁇ j T , ⁇ D ⁇ is always used as a guideline. This greatest junction temperature ⁇ j is fed back to the comparison module 17.
  • n The number n of RC elements connected in series is selected as required.
  • n 2
  • the parameters of each thermal model are 20 and 21, that is, the thermal resistances Rthi to Rth. and the associated time constants Ti to T 4 are set such that the thermal model 20, 21 reproduces the thermal conductivity of the material path between the temperature sensor 8 and the semiconductor barrier layer of the power component 4 or 5 described in each case as precisely as possible.
  • the temperature difference ⁇ x that occurs at any RC element within a sampling time T can be calculated in a linear and discrete-time approximation by gig. 1:
  • T is a predetermined sampling time and k is an integer counting index, which identifies the kth sampling period.
  • the variable X 1, 2, ... is used as a counter that identifies the variables belonging to a common RC element.
  • the junction temperature ⁇ JT of the power component 4 is accordingly calculated according to gig. 2:
  • junction temperature ⁇ j D of the power component 5 is calculated analogously according to the gig. 3:
  • Equations 2 and 3 are included in the representation of the temperature module 19 according to FIG. 7, which is represented in the manner of a so-called z-transformed signal flow diagram.
  • the structure of the diagram according to FIG. 7 is based on the z-transformation, ie a Laplace transformation of the discrete-time equations 2 and 3.
  • the mathematical foundations of the z-transformation are described, for example, in AV Oppenheimer and AS Wilsky, Signals and Systems, VCH Verlaggesellschaft shaft, Weinheim, chap. 10-11.
  • the diagram according to FIG. 7 is to be understood in such a way that in the z-transformed image the multiplication of a signal by the z _1 operator causes the signal to be delayed by a sampling time T.
  • each block labeled z "1 thus delays the corresponding signal by one
  • the two RC elements 22, 23 of the thermal model 20 connected in series appear as parallel branches of a sum.
  • the thermal model 21 is formed from the RC elements 24 and 25.
  • the temperature module 19 works in detail as follows.
  • a power module 26 is ⁇ taking into account the e- lektrischen motor frequency ⁇ e, the motor current I, which correspond to the input current I E input voltage U E, the switching frequency f s, cos of the power angle, the phase angle that is between the StanderSpannung and the stator current of the Motor 2, as well as the control degree m, that is, the turn-on time of a power component 4, 5 during a switching period, calculates in a manner known per se the power dissipation P ⁇ or P D occurring in the power components 4 and 5 per sampling time T. Such a calculation method is described for example in WO 94/21020.
  • the calculated power loss P ⁇ is delayed by a clock time in a delay module 27.
  • the current temperature difference ⁇ i corresponding to the RC element 22 is delayed in a second delay module 28.
  • the delayed power loss P ⁇ in the RC element 22 multiplied by T / Ti and the thermal resistance Rthi and added to the delayed temperature difference ⁇ x multiplied by (T-Ti) / Ti.
  • the result is again delayed in the delay element 28.
  • Another sampling period later, the temperature difference ⁇ x released by the delay element 28 is added to the temperature difference ⁇ 2 of the RC element 23 obtained in the same way.
  • the result is finally added to the sensor temperature ⁇ s , as a result of which the calculation rule is carried out in accordance with equation 2 and the junction temperature ⁇ JT is output as the result.
  • the junction temperature ⁇ JD of the power component 5 is calculated in an analogous manner using the thermal model 21.
  • the two junction temperatures ⁇ JT and ⁇ JD are compared in a selection module 29, the larger of the two junction temperatures ⁇ j T and ⁇ j D being continued as the junction temperature ⁇ .
  • the thermal resistances Rthi of the Rth. of the thermal models 20 and 21 continuously adapted to the environmental conditions of the converter 3.
  • This adaptation takes place as a function of the coolant inlet temperature Q Wf, which has a decisive influence on the thermal conductivity of the converter 3.
  • the coolant inlet temperature ⁇ w is calculated using a further third-degree thermal model 30 with the thermal resistances R t h5 to Rth and the associated time constants T 5 to T 7 .
  • the model 30 includes the sum of the power losses P D + P ⁇ in the power components 4 and 5 as an input variable.
  • the water inlet temperature ⁇ w is fed as an input variable to an adaptation module 31.
  • the adaptation module 31 adjusts the thermal resistances Rt h i to Rth7 through the gig. 4 and 5
  • any function of the thermal resistances Rthi to Rth7 can also be selected depending on the coolant inlet temperature ⁇ w .

Abstract

According to the invention, a particularly high usage whilst avoiding a thermal overload can be achieved with a control method for an electrical drive (1), comprising a motor (2), supplied by a current converter (3), whereby the resistive layer temperature (θJ) of at least one power component (4,5) of the current converter (3) is taken as the guide temperature for control of the motor current (I). The resistive layer temperature (θJ) is determined using an n-th degree thermal model (20, 21) with n (n = 1, 2, 3, ...) thermal RC bodies (22, 23, 24, 25) each with a thermal resistance (Rth1 to Rth4), a time constant (T1 to T4) and at least one thermal resistance (Rth1 to Rth4) and/or a time constant (T1 to T4) is continually adapted, depending on an environmental parameter (θW ) for the current converter (3), by means of a given resistance curve. Furthermore, a setting of the switching frequency (fS) for the current converter (3) and the motor current (I) can be carried out taking into account a guide temperature (θJ).

Description

Beschreibungdescription
Regelverfahren für einen elektrischen AntriebControl method for an electric drive
Die Erfindung bezieht sich auf ein Regelverfahren für einen elektrischen Antrieb mit einem von einem Stromumrichter stromversorgten Motor. Ein solcher Antrieb wird in einer Vielzahl elektrischer Maschinen, insbesondere einem elektrisch betriebenen Kraftfahrzeug, eingesetzt. Das Regelverfah- ren dient hierbei vor allem zum Schutz des Motors und des vorgeschalteten Stromumrichters gegen Überhitzung.The invention relates to a control method for an electric drive with a motor powered by a power converter. Such a drive is used in a large number of electrical machines, in particular in an electrically operated motor vehicle. The control procedure is primarily used to protect the motor and the upstream converter against overheating.
Verglichen mit vielen stationären Antriebssystemen ist ein e- lektrischer Fahrzeugantrieb in hohem Maße schwankenden Belas- tungszuständen ausgesetzt. Diese umfassen in teilweise schnellem Wechsel Belastungsspitzen bei einer hohen Motordrehzahl als auch Belastungssituationen, die mit einer niedrigen Motordrehzahl oder sogar einem Motorstillstand verbunden sind. Zu letzteren zählen beispielsweise Anfahr-Vorgänge unter hoher Belastung, z.B. am Berg, oder in hoher Frequenz, z.B. im Berufsverkehr.Compared to many stationary drive systems, an electric vehicle drive is exposed to highly fluctuating load conditions. These include load peaks at a high engine speed, as well as load situations that are associated with a low engine speed or even an engine standstill in sometimes rapid alternation. The latter include, for example, start-up processes under high load, e.g. on the mountain, or in high frequency, e.g. in rush hour.
Um eine übermäßige thermische Belastung eines Antriebs zu vermeiden, sind üblicherweise die Komponenten des Antriebs ü- berdimensioniert ausgelegt. Das heißt, dass die Komponenten des Antriebs in allen vorgesehenen Betriebszuständen nicht o- der nur sehr selten mit Volllast betrieben werden, und eine Überhitzung vermieden ist. Diese Überdimensionierung äußert sich in nachteiliger Weise dahingehend, dass der Antrieb bei relativ kleiner Leistung vergleichsweise groß und schwer ist. Aufgrund leistungsstarker Komponenten ist ein überdimensionierter Motor zudem vergleichsweise kostenintensiv. Insbesondere bei einem Antrieb für ein elektrisch betriebenes Personenkraftfahrzeug sind jedoch andererseits ein geringes Ge- wicht und eine geringe Größe des Antriebs von entscheidender Bedeutung. Des Weiteren besteht in diesem Bereich ein vergleichsweise hoher Kosteneinsparungsbedarf. Um die vorhandene Antriebsleistung besser ausnutzen zu können, ohne die Gefahr einer Überbelastung in Kauf zu nehmen, kann ein Regelverfahren eingesetzt werden, das bestimmte Be- triebsparameter des Antriebs überwacht und bei einer drohenden Überlastsituation die Motorleistung herabsetzt. Als zu ü- berwachende Betriebsparameter und somit als Richtwert für die Regelung werden häufig Temperaturen herangezogen, die mittels eines Temperatursensors im Stromumrichter und/oder im Motor gemessen werden. Eine bedarfsgerechte Regelung der Motorleistung aufgrund von gemessenen Temperaturen stellt sich jedoch aus technischer Sicht als äußerst schwierig heraus. Grund hierfür ist einerseits, dass in unterschiedlichen Belastungs- situationen der Antrieb auch auf unterschiedliche Weise ther- misch belastet wird. Mit anderen Worten: je nach der speziellen Belastungssituation treten potentiell Lebensdauer beeinträchtigende Temperaturen an unterschiedlichen Stellen des Antriebs bevorzugt auf. Diese Belastungssituationen insgesamt messtechnisch zu erfassen, erfordert eine aufwändige und kos- tenintensive Messtechnik.In order to avoid an excessive thermal load on a drive, the components of the drive are usually designed to be oversized. This means that the components of the drive are not or only rarely operated at full load in all of the intended operating states, and overheating is avoided. This overdimensioning manifests itself disadvantageously in that the drive is comparatively large and heavy with relatively low power. Due to the powerful components, an oversized motor is also comparatively expensive. In particular, in the case of a drive for an electrically operated passenger vehicle, on the other hand, a low weight and a small size of the drive are of crucial importance. Furthermore, there is a comparatively high need for cost savings in this area. In order to be able to make better use of the existing drive power without accepting the risk of overloading, a control method can be used that monitors certain operating parameters of the drive and reduces the engine power in the event of an impending overload situation. Temperatures which are measured by means of a temperature sensor in the current converter and / or in the motor are often used as the operating parameters to be monitored and thus as a guideline for the control. However, it is extremely difficult from a technical point of view to regulate the engine output based on the measured temperatures as required. The reason for this is, on the one hand, that the drive is thermally loaded in different ways in different load situations. In other words: depending on the special load situation, potentially life-threatening temperatures preferably occur at different points on the drive. To record these load situations overall using measurement technology requires complex and cost-intensive measurement technology.
Andererseits kann die Temperaturmessung nicht oder nur in konstruktiv aufwändiger Weise an denjenigen Orten des Antriebs erfolgen, an denen Verlustleistung auftritt. Im Falle des Stromumrichters entsteht diese Verlustleistung vor allem in der Sperrschicht des oder der üblicherweise in Halbleitertechnologie ausgeführten Leistungsbauteile, insbesondere Dioden und Transistoren. Da die Verlustleistung hauptsächlich in der Sperrschicht des oder jedes Leistungsbauteils anfällt, tritt hier innerhalb des Stromumrichters die höchste Temperatur auf. Die durch die Verlustleistung erzeugte Wärme erreicht den Temperatursensor dagegen nur abgeschwächt und verzögert. Bei schnell wechselnden Lastzuständen kann deshalb eine kritische thermische Belastung schon auftreten, bevor sie über den Sensor detektiert wird. Auch bei Einsatz eines herkömmlichen Regelverfahrens ist deshalb eine gewisse Überdimensionierung eines elektrischen Antriebs erforderlich. Aus der WO 94/21020 AI ist ein Verfahren bekannt, bei welchem aus einer gemessenen Temperatur die aktuelle Sperrschichttemperatur eines Halbleiterbauteils errechnet wird. Das Wär e- leitverhalten der Materialstrecke zwischen dem Temperatursensor und der Sperrschicht wird hierbei durch ein sogenanntes thermisches Modell n-ten Grades simuliert. Das thermische Modell umfasst eine Hintereinanderschaltung von n (n=l, 2, 3, ... ) thermischen RC-Gliedern, wobei jedes RC-Glied in Analogie zu dem gleichnamigen elektrischen Schaltungselement einen Wärmewiderstand Rthx(X = l,2,3,...,n) sowie eine Wärmespeicherkapazität Chx umfasst. Durch geeignete Wahl der Wärmewiderstände und Wärmespeicherkapazitäten wird das thermische Modell an das reale Wärmeleitverhalten des Stromumrichters angepasst. Auf diese Weise kann die aktuelle Sperrschichttemperatur mittels des thermischen Modells anhand der aktuell gemessenen Sensortemperatur und der bekannten Leistungsaufnahme des ü- berwachten Leistungsbauteils präzise berechnet werden.On the other hand, the temperature measurement cannot be carried out, or only in a structurally complex manner, at those locations of the drive where power loss occurs. In the case of the current converter, this power loss arises above all in the barrier layer of the power component (s), which are usually embodied in semiconductor technology, in particular diodes and transistors. Since the power loss occurs mainly in the junction of the or each power component, the highest temperature occurs here within the converter. In contrast, the heat generated by the power loss only reaches the temperature sensor in a weakened and delayed manner. With rapidly changing load conditions, a critical thermal load can occur before it is detected by the sensor. A certain oversizing of an electric drive is therefore necessary even when using a conventional control method. A method is known from WO 94/21020 A1 in which the current junction temperature of a semiconductor component is calculated from a measured temperature. The thermal conductivity of the material path between the temperature sensor and the barrier layer is simulated here by a so-called n-degree thermal model. The thermal model comprises a series connection of n (n = 1, 2, 3, ...) thermal RC elements, each RC element, in analogy to the electrical circuit element of the same name, having a thermal resistance Rthx (X = 1, 2,3, ..., n) and a heat storage capacity Chx. The thermal model is adapted to the real thermal conductivity of the converter by suitable selection of the thermal resistances and heat storage capacities. In this way, the current junction temperature can be precisely calculated using the thermal model based on the currently measured sensor temperature and the known power consumption of the monitored power component.
Ein Defizit des bekannten thermischen Modells liegt darin, dass es von einem zeitlich konstanten Wärmeleitverhalten ausgeht. In einem realen System, wie einem Stromumrichter, ist das Wärmeleitverhalten jedoch von verschiedenen Umgebungsvariablen, wie beispielsweise der Umgebungstemperatur, abhän- gig. Zumal insbesondere in einem Fahrzeug saisonal- und betriebsdauerbedingt erhebliche Temperaturschwankungen auftreten, ist das bekannte thermische Modell zur präzisen Berechnung der Sperrschichttemperatur nur bedingt geeignet.A deficiency of the known thermal model is that it assumes that the thermal conductivity is constant over time. In a real system, such as a power converter, the thermal conductivity depends on various environmental variables, such as the ambient temperature. Especially since considerable temperature fluctuations occur in a vehicle due to seasonal and operating time, the known thermal model is only of limited use for the precise calculation of the junction temperature.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelverfahren für einen elektrischen Antrieb mit einem von einem Stromumrichter stromversorgten Motor anzugeben, das unter sicherer Vermeidung eines Überlastzustandes eine besonders gute Auslastung erlaubt.The invention has for its object to provide a control method for an electric drive with a motor powered by a power converter, which allows a particularly good utilization while safely avoiding an overload condition.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach ist vorgesehen, zur Regelung des Mo- torstroms die Sperrschichttemperatur mindestens eines Leistungsbauteils des Stromumrichters als Richttemperatur heranzuziehen, wobei die Sperrschichttemperatur unter Verwendung eines thermischen Modells n-ten Grades (n=l, 2, 3, ... ) ermit- telt wird, und wobei mindestens ein Wärmewiderstand und/oder eine Zeitkonstante des thermischen Modells in Abhängigkeit mindestens einer Umgebungsvariablen des Stromumrichters ange- passt wird.According to the invention, this object is achieved by the features of claim 1. gate current, the junction temperature of at least one power component of the converter can be used as the reference temperature, the junction temperature being determined using a n-degree degree thermal model (n = 1, 2, 3, ...), and at least one thermal resistance and / or a time constant of the thermal model is adapted as a function of at least one environmental variable of the converter.
Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 3. Danach wird eine für den Stromumrichter charakteristische Richttemperatur ermittelt und für die Einstellung des Motorstroms und der Schaltfrequenz des Stromumrichters verwendet.The object is further achieved according to the invention by the features of claim 3. A characteristic temperature which is characteristic of the current converter is then determined and used for setting the motor current and the switching frequency of the current converter.
Als Richttemperatur oder -große wird hierbei eine Temperatur verstanden, die bei der Einstellung eines die im Antrieb entstehende Verlustleistung beeinflussenden Parameters im Sinne einer Regelung oder Steuerung berücksichtigt wird.In this context, the target temperature or size is understood to be a temperature that is taken into account when setting a parameter influencing the power loss arising in the drive in the sense of a regulation or control.
Der erste Lösungsweg geht von dem Grundgedanken aus, dass eine besonders gute Auslastung des Antriebs durch eine Regelung des Motorstroms zu erreichen ist, wenn die in die Regelung eingehende Richttemperatur die tatsächliche Temperatur in ü- berlastgefährdeten Bereichen des Antriebs, insbesondere den Leistungsbauteilen des Stromumrichters, besonders präzise wiedergibt. Dieser Lösungsweg setzt gewissermaßen von der Eingangsseite der Regelung her an. Erkanntermaßen ist die Sperrschichttemperatur zumindest eines Leistungsbauteils als Richttemperatur besonders geeignet. Die erforderliche präzise Berechnung der Sperrschichttemperatur gelingt simulativ mittels eines thermischen Modells, dessen Zuverlässigkeit durch die Adaption mindestens eines Wärmewiderstands und/oder einer Zeitkonstante an die Umgebungsbedin- gungen erheblich gesteigert ist. Der zweite Lösungsweg setzt innerhalb der Regelung an. Indem sowohl der Motorstrom als auch die Schaltfrequenz des Stromumrichters unter Berücksichtigung einer Richttemperatur eingestellt werden, kann die Regelung in spezifischer und unter- schiedlicher Weise auf verschiedene Belastungssituationen reagieren. Hierbei kann durch geeignete Wahl der Schaltfrequenz und des Motorstroms ein Betriebszustand eingestellt werden, in dem die jeweils am stärksten beanspruchte Komponente des Antriebs geschont wird, während gleichzeitig eine möglichst große Antriebsleistung aufrechterhalten wird.The first approach is based on the basic idea that particularly good utilization of the drive can be achieved by regulating the motor current if the regulating temperature used in the regulation particularly affects the actual temperature in areas of the drive that are at risk of overloading, in particular the power components of the converter reproduces precisely. This approach starts from the input side of the control. As is known, the junction temperature of at least one power component is particularly suitable as a target temperature. The required precise calculation of the junction temperature is achieved simulatively by means of a thermal model, the reliability of which is considerably increased by the adaptation of at least one thermal resistance and / or a time constant to the ambient conditions. The second solution starts within the regulation. By setting both the motor current and the switching frequency of the converter taking into account a target temperature, the control can react in a specific and different way to different load situations. In this case, by suitable selection of the switching frequency and the motor current, an operating state can be set in which the most stressed component of the drive is protected while at the same time maintaining the greatest possible drive power.
Beide Lösungswege führen prinzipiell unabhängig voneinander zu einer besonders guten Auslastung des Antriebs. Sie ergänzen sich jedoch hinsichtlich ihrer Wirkung, so dass eine vollständige oder partielle Kombination zu besonderen Vorteilen führen kann. Die nachfolgend beschriebenen Ausbildungen der Erfindung sind im Zusammenhang mit jeder der beiden Lösungsvarianten sowie deren Kombination zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen.In principle, both solutions lead to a particularly good utilization of the drive independently of each other. However, they complement each other in terms of their effect, so that a complete or partial combination can lead to special advantages. The embodiments of the invention described below are useful embodiments and further developments in connection with each of the two solution variants and their combination.
Eine für die Adaption des mindestens einen Wärmewiderstandes und/oder der mindestens einen Zeitkonstante besonders zweckmäßig zu verwendende Umgebungsvariable stellt dabei die Kühlmitteleinlauftemperatur eines dem Stromumrichter zugeordneten Kühlmittelkreislaufs dar. Der Kühlmitteleinlaufte peratur kommt insofern eine große Bedeutung für den Abtransport der Verlustwärme zu, als die Kühlwirkung des Kühlmittels um so größer ist, je flüssiger das Kühlmittel ist. Die Viskosität eines herkömmlichen Kühlmittels nimmt aber wiederum mit sin- kender Temperatur erheblich zu.An environment variable to be used particularly appropriately for the adaptation of the at least one thermal resistance and / or the at least one time constant is the coolant inlet temperature of a coolant circuit assigned to the current converter The more liquid the coolant, the greater the coolant. However, the viscosity of a conventional coolant in turn increases significantly as the temperature drops.
Die Kühlmitteleinlauftemperatur wird bevorzugt wiederum mittels eines thermischen Modells n-ten Grades "(n = 1,2,3,...) ermittelt. Auch für dieses ist eine Adaption mindestens eines Wärmewiderstandes und/oder einer Zeitkonstante vorteilhaft. Zumal in verschiedenen Betriebszuständen des Antriebs verschiedene Leistungsbauteile, insbesondere Dioden einerseits und Transisto en andererseits, unterschiedlich stark belastet werden, werden in einer zweckmäßigen Ausführung die Sperr- Schichttemperaturen mehrerer Leistungsbauteile ermittelt. Als Richttemperatur wird hierbei die höchste ermittelte Sperrschichttemperatur herangezogen, so dass stets auf das jeweils am stärksten belastete Leistungsbauteil geregelt wird.The coolant inlet temperature is preferably determined again by means of a thermal model of degree n "(n = 1,2,3, ...). Also this is an adaptation of advantageously at least a heat resistance and / or a time constant. Especially since different power components, in particular diodes on the one hand and transistors on the other, are subjected to different levels of stress in different operating states of the drive, the barrier layer temperatures of several power components are determined in a suitable embodiment. The highest determined junction temperature is used as the target temperature, so that control is always made on the most heavily loaded power component.
Vorzugsweise wird die Schaltfrequenz des Stromumrichters anhand einer vorgegebenen Kennlinie in Abhängigkeit der Richttemperatur und der elektrischen Motorfrequenz - d.h. der Umlauffrequenz des Drehfeldes im Motor - gesteuert, während der Motorstrom anhand eines Soll-Istwert-Vergleichs der Richttem- peratur geregelt wird. Diese kombinierte Steuer-Regel-Technik ist besonders einfach und erlaubt somit eine schnelle und gezielte Reaktion auf einen auftretenden Überlastzustand.The switching frequency of the current converter is preferably determined on the basis of a predetermined characteristic curve as a function of the target temperature and the electrical motor frequency - i.e. the rotational frequency of the rotating field in the motor - controlled, while the motor current is regulated on the basis of a setpoint / actual value comparison of the target temperature. This combined control and regulation technology is particularly simple and thus allows a quick and targeted reaction to an overload situation that occurs.
Die Kennlinie zur Steuerung der Schaltfrequenz ist zweckmäßi- gerweise derart ausgebildet, dass die Schaltfrequenz erniedrigt wird, wenn die Richttemperatur eine erste, von der e- lektrischen Motorfrequenz abhängige Grenztemperatur überschreitet. Durch die Reduktion der Schaltfrequenz werden bei gegebenem Motorstrom die Leistungsverluste im Stromumrichter reduziert. Die erste Grenztemperatur nimmt dabei insbesondere zu kleinen Motorfrequenzen hin ab, so dass die verlustreduzierende Wirkung der Schaltfrequenzreduktion beim Anfahren o- der im Stillstand des Motors verstärkt zum Tragen kommt.The characteristic curve for controlling the switching frequency is expediently designed in such a way that the switching frequency is reduced when the target temperature exceeds a first limit temperature which is dependent on the electrical motor frequency. By reducing the switching frequency, the power losses in the converter are reduced for a given motor current. The first limit temperature decreases in particular towards low motor frequencies, so that the loss-reducing effect of the switching frequency reduction when starting or when the motor is at a standstill is more pronounced.
Um darüberhinaus eine Überlast effektiv zu verhindern, wird der Motorstrom zweckmäßigerweise heruntergeregelt, wenn die Richttemperatur eine zweite Grenztemperatur überschreitet. Die zweite Grenztemperatur nimmt vorteilhafterweise zu hohen elektrischen Motorfrequenzen hin ab. Die funktionale Abhän- gigkeit der zweiten Grenztemperatur trägt dem Umstand Rechnung, dass der Antrieb im Normalbetrieb bei hoher elektrischer Motorfrequenz betrieben wird, während Anfahrvorgänge nur einen verschwindend geringen Teil der Lebensdauer des Antriebs ausmachen. Die Regelung toleriert somit beim Anfahren eine unschädliche kurzzeitige Erhitzung auf eine vergleichsweise hohe Temperatur, so das hier eine besonders hohe An- triebsleistung erzeugt werden kann, ohne das die Regelung anspricht. Andererseits ist eine schädliche thermische Dauerbelastung des Antriebs im Normalbetrieb aufgrund der erniedrigten zweiten Grenztemperatur vermieden.In order to effectively prevent an overload, the motor current is expediently reduced when the target temperature exceeds a second limit temperature. The second limit temperature advantageously decreases towards high electrical motor frequencies. The functional dependency of the second limit temperature takes into account the fact that the drive is operated in normal operation with a high electrical motor frequency during start-up processes only make up a negligible part of the life of the drive. The control thus tolerates a harmless, brief heating to a comparatively high temperature when starting, so that a particularly high drive power can be generated without the control responding. On the other hand, a damaging thermal load of the drive in normal operation due to the reduced second limit temperature is avoided.
Die erste und die zweite Grenztemperatur sind insbesondere derart aufeinander abgestimmt, dass bei niedriger elektrischer Motorfrequenz die Schaltfrequenzreduktion vor der Abre- gelung des Motorstroms anspricht, so dass beim Anfahren möglichst lange ein besonders hoher Anfahrstrom auf den Motor gegeben werden kann. Andererseits ist es vorteilhaft, dass bei hoher elektrischer Motorfrequenz die Abregelung des Motorstroms vor der Schaltfrequenzreduktion anspricht. Letztere würde die Verlustleistung im Motor erhöhen, der bei hoher e- lektrischer Motorfrequenz ohnehin einer hohen thermischen Be- lastung ausgesetzt ist.The first and the second limit temperatures are in particular matched to one another in such a way that, at a low electrical motor frequency, the switching frequency reduction responds before the motor current is stopped, so that a particularly high starting current can be given to the motor for as long as possible. On the other hand, it is advantageous that when the electrical motor frequency is high, the limitation of the motor current responds before the switching frequency is reduced. The latter would increase the power loss in the motor, which is anyway exposed to a high thermal load when the electrical motor frequency is high.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung wird die Motortemperatur als zusätzliche Richttemperatur zur Regelung des Motorstroms herangezogen, um auch einer thermischen Über- lastung des Motors sicher entgegenwirken zu können. Hierbei wird zweckmäßigerweise der Motorstrom erniedrigt, wenn die Motortemperatur eine dritte vorgegebene Grenztemperatur übersteigt.In a particularly advantageous development, the motor temperature is used as an additional target temperature for regulating the motor current in order to be able to counteract thermal overloading of the motor safely. In this case, the motor current is expediently reduced when the motor temperature exceeds a third predetermined limit temperature.
Optional ist vorgesehen, dass die Schaltfrequenz derart eingestellt wird, dass bei gegebenem Motorstrom die Antriebsverlustleistung minimiert wird.It is optionally provided that the switching frequency is set in such a way that the drive power loss is minimized for a given motor current.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen: FIG 1 in schematischer Darstellung einen elektrischen Antrieb mit einem Stromumrichter und einem elektrischen Mo or sowie einer Regeleinheit zur Regelung der Motorleistung, FIG 2 in dreidimensionaler Darstellung ein Kennliniendiagramm, zur Einstellung der Schaltfrequenz des Stro- mumrichters in Abhängigkeit der elektrischen Motorfrequenz sowie der Sperrschichttemperatur eines Leistungsbauteils des Stromumrichters, FIG 3 das Kennliniendiagramm gemäß FIG 2 in einer Projektion auf die durch die Achsen der elektrischen Motorfrequenz und der Sperrschicht aufgespannte Grundfläche, FIG 4 ein Diagramm einer zur Regelung des Motorstroms als maximal zulässige Sperrschichttemperatur herangezogenen Grenztemperatur in Abhängigkeit der elektrischen Motorfrequenz, FIG 5 in einem Diagramm des Motorstroms bzw. der Schaltfrequenz in Abhängigkeit der Sperrschichttemperatur beispielhafte Regelvorgänge bei kleiner elektrischer Motorfrequenz sowie bei großer elektrischer Motorfrequenz, FIG 6 in einem Signalflussdiagramm ein Regelmechanismus zur Regelung des Motorstroms, FIG 7 in einem Signalflussdiagramm ein Verfahren zur si- mulativen Berechnung der Sperrschichttemperatur und FIG 8 beispielhaft die Abhängigkeit eines in die Temperaturberechnung gemäß FIG 7 eingehenden Wärmewiderstands von der Kühlmitteleinlauftemperatur eines dem Stromumrichter zugeordneten Kühlmittelkreislaufs .Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to a drawing. In it show: 1 shows a schematic representation of an electric drive with a current converter and an electric motor and a control unit for regulating the motor output, FIG. 2 shows a characteristic diagram in three-dimensional representation for setting the switching frequency of the current converter as a function of the electrical motor frequency and the junction temperature of a power component 3 shows the characteristic diagram according to FIG. 2 in a projection onto the base area spanned by the axes of the electrical motor frequency and the barrier layer, FIG. 4 shows a diagram of a limit temperature used as a maximum permissible junction temperature as a function of the electrical motor frequency, FIG. 5 in a diagram of the motor current or the switching frequency as a function of the junction temperature, exemplary control processes with a small electrical motor frequency and with a large electrical motor frequency, FIG A signal flow diagram shows a control mechanism for regulating the motor current, FIG. 7 shows a method for simulative calculation of the junction temperature in a signal flow diagram, and FIG. 8 shows, for example, the dependence of a thermal resistance included in the temperature calculation according to FIG. 7 on the coolant inlet temperature of a coolant circuit assigned to the current converter.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Angaben von expliziten Zahlenwerten sind als Beispiel zu verstehen und implizieren keinerlei Beschränkung des Erfindungsgegenstandes. FIG 1 zeigt in grober Vereinfachung ein Schema eines elektrischen Antriebs 1. Der Antrieb 1 umfasst einen elektrischen Motor 2, der von einem Stromumrichter 3 mit einem Motorstrom I versorgt wird. Der Antrieb 1 ist vorzugsweise für einCorresponding parts and sizes are identified in the figures with the same reference symbols. Information on explicit numerical values is to be understood as an example and does not imply any restriction of the subject matter of the invention. FIG. 1 shows a diagram of an electric drive 1 in rough simplification. The drive 1 comprises an electric motor 2, which is supplied with a motor current I by a current converter 3. The drive 1 is preferably for a
(nicht dargestelltes) elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug vorgesehen. Hierbei wird der Stromumrichter 3 seinerseits von einer (nicht dargestellten) Batterie mit einem Eingangsstrom IE versorgt. Im Stromumrichter 3 wird der Eingangsstrom IE in bekannter Weise in Wechselströme variabler Frequenz und Stärke umgerichtet. Diese werden dem Motor 2 als Motorstrom I zur Erzeugung eines den Motor 2 antreibenden magnetischen Drehfeldes zugeführt.Electrically operated motor vehicle (not shown) is provided. In this case, the current converter 3 is in turn supplied with an input current I E by a battery (not shown). In the current converter 3, the input current I E is converted in a known manner into alternating currents of variable frequency and strength. These are fed to the motor 2 as the motor current I for generating a magnetic rotating field driving the motor 2.
Die Stromumrichtung erfolgt innerhalb des Stromumrichters 3 durch elektronische, üblicherweise durch Halbleiterkomponenten gebildete Stromventile, die in FIG 1 schematisch durch Leistungsbauteile 4 und 5 angedeutet sind. Die Leistungsbauteile 4 und 5 umfassen insbesondere Transistoren und Dioden. Das Leistungsbauteil 4 steht im Schema gemäß FIG 1 für einen oder mehrere Transistoren. Das Leistungsbauteil 5 symbolisiert demgegenüber eine oder mehrere Dioden. Zur Stromumrichtung werden die Leistungsbauteile 4 und 5 periodisch und intervallartig mit einer vorgegebenen Schaltfrequenz fs dem Stromkreis zu- bzw. abgeschaltet. Die Leistungsbauteile 4 und 5 sind somit periodisch stromdurchflossen. Hierbei fällt an der nicht näher dargestellten Halbleitersperrschicht jedes Leistungsbauteils 4 und 5 eine Verlustleistung Pτ bzw. PD an. Die Indizes "D" und "T" stehen hierbei für "Dioden" bzw. "Transistoren". Diese Verlustleistung PD, Pτ fällt in Form von Wärme an und führt zu einer Aufheizung der Leistungsbauteile 4 und 5. Charakteristisch für die thermische Belastung der Leistungsbauteile 4 und 5 ist ihre jeweilige Sperrschichttemperatur θjD bzw. θJτ. Zur Ableitung der in den Leistungsbau- teilen 4 und 5 entstehenden Wärme sind die Leistungsbauteile 4 und 5 auf einem Kühlkörper 6 aufmontiert. Der Kühlkörper 6 steht wiederum in wärmeleitendem Kontakt zu einem nur ange- deuteten Kühlmittelkreislauf 7, in dem ein flüssiges Kühlmittel W zirkuliert. Bei dem Kühlmittel W handelt es sich beispielsweise um mit Zusätzen zur Gefrierpunktserniedrigung versehenem Wasser. Kennzeichnend für die Kühlwirkung des Kühlmittelkreislaufs 7 ist die KühlmitteleinlauftemperaturThe current is converted within the current converter 3 by electronic current valves, usually formed by semiconductor components, which are indicated schematically in FIG. 1 by power components 4 and 5. The power components 4 and 5 include, in particular, transistors and diodes. In the diagram according to FIG. 1, the power component 4 stands for one or more transistors. In contrast, the power component 5 symbolizes one or more diodes. For current conversion, the power components 4 and 5 are switched on and off periodically and at intervals with a predetermined switching frequency f s . The power components 4 and 5 are thus periodically flowed through by current. In this case, a power loss P τ or P D occurs at the semiconductor barrier layer (not shown in more detail) of each power component 4 and 5. The indices "D" and "T" stand for "diodes" and "transistors". This power loss P D , P τ occurs in the form of heat and leads to heating of the power components 4 and 5. Characteristic of the thermal load on the power components 4 and 5 is their respective junction temperature θjD and θ Jτ . To dissipate the heat generated in the power components 4 and 5, the power components 4 and 5 are mounted on a heat sink 6. The heat sink 6 is in turn in heat-conducting contact with an only indicated coolant circuit 7, in which a liquid coolant W circulates. The coolant W is, for example, water provided with additives for lowering the freezing point. The coolant inlet temperature is characteristic of the cooling effect of the coolant circuit 7
Um eine Lebensdauer schädigende Überhitzung der Leistungsbauteile 4 und 5 zu verhindern, ist eine präzise Kenntnis der Sperrschichttemperaturen θJD und θJT wünschenswert. Es ist jedoch technisch nicht oder nur sehr schwierig möglich, diese Sperrschichttemperaturen θJD, θJT direkt zu messen. Stattdessen wird mittels eines im Kühlkörper 6 angeordneten Temperatursensors 8 eine Sensortemperatur θs gemessen, die als Mess- wert einer Regeleinheit 9 zugeführt wird.In order to prevent overheating of the power components 4 and 5 which is detrimental to the service life, precise knowledge of the junction temperatures θ JD and θ JT is desirable. However, it is technically impossible or very difficult to measure these junction temperatures θ JD , θ JT directly. Instead, a sensor temperature θ s is measured by means of a temperature sensor 8 arranged in the heat sink 6, which sensor temperature is fed as a measured value to a control unit 9.
Die in den Leistungsbauteilen 4 und 5 periodisch erzeugte Wärme und die damit korrespondierenden Temperaturschwankungen erreichen den Temperatursensor 8 aufgrund der thermischen Trägheit der Leistungsbauteile 4 und 5, des Kühlkörpers 6 sowie des Kühlmittelkreislaufs 7 nur in abgeschwächter und zeitverzögerter Form. Der zeitliche Verlauf der Sensortemperatur θs spiegelt den zeitlichen Verlauf der Sperrschichttemperaturen θD und θJT dementsprechend auch nur zeitverzögert und abgeschwächt wider. Um dennoch eine Information über die aktuelle Sperrschichttemperatur θJD, θJT zu erlangen und darauf basierend instantan Regelschritte einleiten zu können, werden die aktuellen Sperrschichttemperaturen θJD, θJT in der Regeleinheit 9 anhand der Sensortemperatur θs und unter Zu- hilfenahme eines nachfolgend näher beschriebenen thermischen Modellsystems 10 simulativ berechnet. Der Regeleinheit 9 stehen als weitere Eingangsparameter die gemessene Motortemperatur θM sowie die als elektrische Motorfrequenz ωeι bezeichnete Umlauffrequenz des Drehfeldes im Motor 2 zur Verfügung.The heat generated periodically in the power components 4 and 5 and the corresponding temperature fluctuations reach the temperature sensor 8 only in a weakened and time-delayed form due to the thermal inertia of the power components 4 and 5, the heat sink 6 and the coolant circuit 7. The time course of the sensor temperature θ s reflects the time course of the junction temperatures θ D and θ JT accordingly only with a time delay and weakened. In order nevertheless to obtain information about the current junction temperature θ JD , θ JT and to be able to initiate control steps instantly based thereon, the current junction temperatures θ JD , θ JT in control unit 9 are examined in more detail based on sensor temperature θ s and with the help of one below described thermal model system 10 calculated simulatively. The measured motor temperature θ M and the rotational frequency of the rotating field in the motor 2, designated as the electrical motor frequency ω e ι, are available to the control unit 9 as further input parameters.
Die Regeleinheit 9 erkennt eine kritische thermische Belastung des Stromumrichters 3 oder des Motors 2 und gibt ein entsprechendes Steuersignal SfS zur Einstellung der Schaltfrequenz fs sowie ein Steuersignal Si zur Einstellung des Motorstroms I an den" Stromumrichter 3 aus.The control unit 9 detects a critical thermal load on the current converter 3 or the motor 2 and inputs Corresponding control signal Sf S for setting the switching frequency f s and a control signal Si for setting the motor current I to the " current converter 3.
Das von der Regeleinheit 9 durchgeführte Regelverfahren zur bedarsgerechten Einstellung der Schaltfrequenz fs sowie des Motorstroms I ist in den FIG 2 bis 6 näher beschrieben. Als Richtgrößen für die Regelung werden hierbei die elektrische Motorfrequenz ωeι sowie die größte berechnete Sperrschicht- temperatur θj = max{θJD,θjT} herangezogen. In Abhängigkeit dieser beiden Richtwerte bestimmt die Regeleinheit 9 anhand einer hinterlegten, dreidimensionalen Kennlinie 11 die einzustellende Schaltfrequenz fs. Diese Kennlinie 11 ist in FIG 2 in einem dreidimensionalen Diagramm dargestellt. FIG 3 zeigt die Kennlinie 11 gewissermaßen in einem Blick von unten, d.h. in einer Projektion auf die durch die Achsen 12 und 13 der e- lektrischen Motorfrequenz ωeι bzw. θj aufgespannte Grundfläche 14. Man erkennt im Vergleich der FIG 2 und 3, dass die Schaltfrequenz fs zwischen einer Maximalfrequenz fmax = 6 kHz und einer Minimalfrequenz fmin = 2 kHz variiert wird. Die Maximalfrequenz fmax wird hierbei tendenziell bei einer niedrigen Sperrschichttemperatur θj und einer großen elektrischen Motorfrequenz ωeι angenommen. Die Minimalfrequenz fmin wird demgegenüber tendenziell bei einer hohen Sperrschichttempera- tur θj und einer niedrigen elektrischen Motorfrequenz ωeι eingestellt. Innerhalb eines sich schräg über die GrundflächeThe control method carried out by the control unit 9 for setting the switching frequency f s and the motor current I in accordance with requirements is described in more detail in FIGS. 2 to 6. The electrical motor frequency ω e ι and the largest calculated junction temperature θj = max {θ JD , θj T } are used as guidelines for the control. Depending on these two guide values, the control unit 9 determines the switching frequency f s to be set on the basis of a stored three-dimensional characteristic curve 11. This characteristic curve 11 is shown in FIG. 2 in a three-dimensional diagram. 3 shows the characteristic curve 11, as it were, from below, ie in a projection onto the base area 14 spanned by the axes 12 and 13 of the electric motor frequency ω e ι and θj. In comparison of FIGS. 2 and 3, that the switching frequency f s is varied between a maximum frequency f max = 6 kHz and a minimum frequency f min = 2 kHz. The maximum frequency f max here tends to be assumed at a low junction temperature θj and a large electrical motor frequency ω e ι. In contrast, the minimum frequency f min tends to be set at a high junction temperature θj and a low electrical motor frequency ω e ι. Within one is sloping across the floor area
14 erstreckenden Korridors 15 wird die Schaltfrequenz fs von der Maximalfrequenz fmax auf die Minimalfrequenz fmin erniedrigt. Der obere Rand des Korridors 15, also diejenige Linie innerhalb der Grundfläche 14, welche den der Maximalfrequenz fmax zugeordneten Bereich der der Grundfläche 14 vom Korridor14 extending corridor 15, the switching frequency f s is reduced from the maximum frequency f max to the minimum frequency f min . The upper edge of the corridor 15, that is to say that line within the base area 14 which defines the area of the base area 14 of the corridor which is assigned to the maximum frequency f max
15 trennt, definiert eine erste Grenztemperatur θi . Diese Grenztemperatur θi ist konstant für große elektrische Motorfrequenzen ωeι ≥ 10 Hz und nimmt für kleinere Motorfrequenzen cθei ab. Der untere Rand des Korridors 15, also diejenige Linie innerhalb der Grundfläche 14, an welcher der Korridor 15 in den der Minimalfrequenz fmιn zugeordneten Bereich der Grundfläche 14 übergeht, ist zur ersten Grenztemperatur θi entlang der Achse 13 parallelverschoben und wird als Grenztemperatur θi' bezeichnet. Die Kennlinie 11 ist im dargestellten Beispiel aus ebenen Flächenstücken zusammengesetzt. Äquivalentermaßen kann sie jedoch auch als glatte Funktion mit kontinuierlich verlaufendem Krümmungsverhalten ausgebildet sein.15 separates, defines a first limit temperature θi. This limit temperature θi is constant for large electrical motor frequencies ω e ι ≥ 10 Hz and decreases for smaller motor frequencies cθ e i. The lower edge of the corridor 15, so that line within the base 14 at which the passage 15 in which the minimum frequency f m ι n region associated with the Base 14 passes over, is shifted parallel to the first limit temperature θi along the axis 13 and is referred to as the limit temperature θi '. In the example shown, the characteristic curve 11 is composed of flat surface pieces. Equivalently, however, it can also be designed as a smooth function with a continuous curvature behavior.
Als Option ist vorgesehen, dass die Schaltfrequenz fs bei ge- gebenem Motorstrom I derart eingestellt wird, dass die Verlustleistung des Antriebs 1 minimiert ist.As an option, it is provided that the switching frequency f s is set for a given motor current I in such a way that the power loss of the drive 1 is minimized.
Zusätzlich zur Einstellung der Schaltfrequenz fs regelt die Regeleinheit 9 den Motorstrom I. Als Richtgröße für diese Re- gelung wird wiederum die berechnete Sperrschichttemperatur θj herangezogen. Diese wird als Istwert mit einer als Sollwert herangezogenen zweiten Grenztemperatur θ2 verglichen, deren funktionale Abhängigkeit von der elektrischen Motorfrequenz ωeι n FIG 4 dargestellt ist. Die Grenztemperatur θ2 ist für kleine elektrische Motorfrequenzen ωeι < 3 Hz auf einem hohen Wert konstant und nimmt für eine intermediäre elektrische Motorfrequenz cdei, insbesondere 3 Hz < ωeι < 10 Hz, auf einen vergleichsweise niedrigen Wert ab. Für eine große elektrische Motorfrequenz ωeι ≥ 10 Hz bleibt die Grenztemperatur θ2 auf dem vergleichsweise niedrigen Wert konstant.In addition to the setting of the switching frequency f s , the control unit 9 controls the motor current I. The calculated junction temperature θj is again used as a guide variable for this control. This is compared as an actual value with a second limit temperature θ 2 used as a setpoint, the functional dependence of which is shown on the electric motor frequency ω e ι n FIG 4. The limit temperature θ 2 is constant at a high value for small electrical motor frequencies ω e ι <3 Hz and decreases to a comparatively low value for an intermediate electrical motor frequency cdei, in particular 3 Hz <ω e ι <10 Hz. For a large electrical motor frequency ω e ι ≥ 10 Hz, the limit temperature θ 2 remains constant at the comparatively low value.
Der nachfolgend näher beschriebene Regelmechanismus beruht darauf, dass ein nachfragebedingter Anstieg des Motorstroms I bis zu einem maximalen Motorstrom I erlaubt wird, solange die Sperrschichttemperatur θj die Grenztemperatur θ2 nicht überschreitet. Übersteigt dagegen die Sperrschichttemperatur θj die Grenztemperatur θ2, so wird der Motorstrom I derart reduziert, dass die Sperrschichttemperatur θj auf die Grenztemperatur θ2 zurückgeht. Sinkt die Sperrschichttemperatur θj wie- derum unter die Grenztemperatur θ2 ab, so lässt die Regeleinheit 9 wiederum ein geregeltes Ansteigen des Motorstroms I zu. Ein Vergleich der FIG 3 und 4 zeigt, dass die für die Stromregulierung relevante Grenztemperatur θ2 die für die Schaltfrequenzregulierung relavante θi bei einer niedrigen elektri- sehen Motorfrequenz ωeι < 10 Hz überschreitet. Das bedeutet, dass bei einer niedrigen Motordrehzahl oder im Stillstand des Motors 2 eine Reduktion der Schaltfrequenz fs durchgeführt wird, bevor die Stromregelung anspricht. Dieser Fall ist in FIG 5 beispielhaft durch durchgezogene Linien dargestellt. Steigt bei einer hohen Leistungsnachfrage und gleichzeitig sehr kleiner elektrischer Motorfrequenz ωel die Sperrschichttemperatur θj über 120°C - also der Grenztemperatur θi für ωeι = 0 Hz - hinaus an, so wird die Schaltfrequenz fs erniedrigt, während der Motorstrom I weiterhin auf seinem Maximalwert Imax gehalten wird. Durch die Reduzierung der Schaltfrequenz fs tritt im Stromumrichter 3 eine erniedrigte Verlustleistung PD, Pτ auf, so dass der weitere Anstieg der Sperrschichttemperatur θj verlangsamt ist. Infolge des weiterhin maximal gehaltenen Motorstroms I wird gleichzeitig ein besonders hohes Drehmoment im Motor 2 erzeugt, so dass ein problemloses Anfahren des Motors 2 unter hoher Belastung ermöglicht ist. Erst wenn die Sperrschichttemperatur -9-j den vergleichsweise hohen Wert von θ2(ωeι=0) = 140°C erreicht, wird der Motorstrom I reduziert. Ein weiteres Ansteigen der Sperrschichtte pera- tur θj wird dadurch verhindert.The control mechanism described in more detail below is based on the fact that a demand-related increase in the motor current I up to a maximum motor current I is permitted as long as the junction temperature θj does not exceed the limit temperature θ 2 . If, however, the junction temperature θj exceeds the limit temperature θ 2 , the motor current I is reduced in such a way that the junction temperature θj goes back to the limit temperature θ 2 . If the junction temperature θj again drops below the limit temperature θ 2 , the control unit 9 in turn allows the motor current I to rise in a controlled manner. A comparison of FIGS. 3 and 4 shows that the limit temperature θ 2 relevant for current regulation exceeds that relevant for switching frequency regulation θ i at a low electrical motor frequency ω e ι <10 Hz. This means that at a low engine speed or when the engine 2 is at a standstill, the switching frequency f s is reduced before the current control responds. This case is exemplified by solid lines in FIG. If the junction temperature θj rises above 120 ° C - i.e. the limit temperature θi for ω e ι = 0 Hz - with a high demand for power and at the same time a very low electric motor frequency ω el , the switching frequency f s is reduced while the motor current I continues to rise its maximum value I max is kept. By reducing the switching frequency f s , a reduced power loss P D , P τ occurs in the current converter 3, so that the further rise in the junction temperature θj is slowed down. As a result of the motor current I remaining at a maximum, a particularly high torque is simultaneously generated in the motor 2, so that the motor 2 can be started up easily under high load. Only when the junction temperature -9-j reaches the comparatively high value of θ 2 (ω e ι = 0) = 140 ° C, the motor current I is reduced. This prevents a further increase in the junction temperature θj.
Zumal Anfahrvorgänge im Hinblick auf die Gesamtlebensdauer des Antriebs 1 nur selten auftreten, ist die Grenztemperatur θ2, die die maximal zulässige Sperrschichttemperatur θj dar- stellt, in diesem Fall besonders hoch angesetzt. Dies trägt der Tatsache Rechnung, dass der Stromumrichter 3 eine kurzzeitige, selten vorkommende Überhitzung ohne merkliche Einbußen an Lebensdauer verkraftet. Die Toleranz der Regelung in Bezug auf eine solche kurzzeitige Überhitzung des Stromum- richters sorgt andererseits dafür, dass der Antrieb 1 beim Anfahren eine besonders hohe Leistungsabgabe erreicht. Demgegenüber wird bei einer hohen elektrischen Motorfrequenz die Grenztemperatur θ2 auf 130°C abgesenkt, um eine andauernde Überhitzung des Stromumrichters 3 im Normalbetrieb zu verhindern. Wie ein Vergleich der FIG 3 und 4 zeigt, übersteigt (Dei ≥ 10 Hz die zweite Grenztemperatur θ2 die erste Grenztemperatur θ2 knapp. Daraus folgt, wie in FIG 5 anhand der gestrichelten Linien dargestellt, dass die Reduktion des Motorstroms I anspricht, bevor eine Reduzierung der Schaltfrequenz fs stattgefindet . Eine Reduzierung der Schaltfrequenz fs wür- de in diesem Bereich nur zu einer weiteren Aufheizung des Motors 2 führen, der bei einer hohen elektrischen Motorfrequenz CDei ohnehin schon heiß ist.Especially since start-up processes occur only rarely with regard to the total service life of the drive 1, the limit temperature θ 2 , which represents the maximum permissible junction temperature θj, is set particularly high in this case. This takes into account the fact that the current converter 3 copes with a brief, rare overheating without any noticeable loss in service life. On the other hand, the tolerance of the control with regard to such a brief overheating of the converter ensures that the drive 1 achieves a particularly high power output when starting up. In contrast, at a high electric motor frequency, the limit temperature θ 2 is lowered to 130 ° C. in order to prevent the converter 3 from overheating in normal operation. As a comparison of Figures 3 and 4 shows exceeds (Dei ≥ 10 Hz, the second limit temperature θ 2, the first limit temperature θ 2 scarce. It follows, as shown in FIG 5 on the basis of dotted lines that the reduction of the motor current I is responsive before The switching frequency f s would only lead to a further heating of the motor 2 in this area, which is already hot at a high electrical motor frequency Cei.
Der Regelkreislauf zur Reduzierung des Motorstroms I ist in FIG 6 in einem Signalflussbild nochmals im Detail dargestellt. Hierbei wird einem ersten Modul 16 die aktuelle e- lektrische Motorfrequenz ωeι zugeführt. Der Modul 16 ermittelt hieraus gemäß der in FIG 4 gezeigten funktionalen Abhängigkeit die relevante Grenztemperatur θ2, die einem Ver- gleichsmodul 17 als Sollwert zugeführt und dort mit der berechneten Sperrschichttemperatur θj verglichen wird. Der Vergleichsmodul 17 gibt eine Differenztemperatur Δθj an einen Stromregler 18 aus. Übersteigt die Sperrschichttemperatur θj die Grenztemperatur θ2, so erzeugt der Stromregler 18 be- darfsweise eine Stromreduktion Δl als Ausgabewert.The control circuit for reducing the motor current I is shown again in detail in FIG. 6 in a signal flow diagram. The current electric motor frequency ω e ι is fed to a first module 16. Based on the functional dependency shown in FIG. 4, the module 16 uses this to determine the relevant limit temperature θ 2 , which is supplied to a comparison module 17 as a setpoint and is compared there with the calculated junction temperature θj. The comparison module 17 outputs a differential temperature Δθj to a current controller 18. If the junction temperature θj exceeds the limit temperature θ 2 , the current controller 18 generates a current reduction Δl as an output value.
Auf ähnliche Weise wird die die Motortemperatur θM mit einer dritten, kennlinienabhängigen Grenztemperatur θ3 verglichen, wobei bei einer Überschreitung der Grenztemperatur θ3 durch die Motortemperatur θM eine zweite Stromreduktion ΔlM erzeugt wird.In a similar manner, the motor temperature θ M is compared with a third, characteristic-dependent limit temperature θ 3 , a second current reduction Δl M being generated if the limit temperature θ 3 is exceeded by the motor temperature θ M.
Dabei wird gemäß einem Maximalprinzip die ihrem Betrag nach größere Stromreduktion Δl = max{Δlj,ΔlM} berücksichtigt.The current reduction Δl = max {Δlj, Δl M }, which is larger in magnitude, is taken into account in accordance with a maximum principle.
Die Differenz der Stromreduktion Δl vom Maximalstrom Imax ergibt den Betrag des Motorstroms I, der von der Regeleinheit durch Ausgabe des entsprechenden Steuersignals Si eingestellt wird. Der Motorstrom I wird weiterhin als Eingabewert einem Temperaturmodul 19 zugeführt, in welchem die Berechnung der Sperrschichttemperatur θj stattfindet. Das in FIG 6 verein- facht dargestellte Temperaturmodul 19 führt das zwei thermische Modelle 20 und 21 umfassende Modellsystem 10 aus. Das Modell 20 ist hierbei an die Berechnung der Sperrschichttemperatur θT des Leistungsbauteils 4 angepasst, während das Modell 21 zur Berechnung der Sperrschichttemperatur θJD des Leistungsbauteils 5 vorgesehen ist. Beide thermischen Modelle 20 und 21 berücksichtigen als weitere Eingabegröße die Sensortemperatur θs. Die getrennte Berechnung der Sperrschichttemperaturen θJT bzw. θjo ist insofern vorteilhaft, als je nach aktuellem Betriebszustand das Leistungsbauteil 4 - also die Transistoren - oder das Leistungsbauteil 5 - also die Dioden - thermisch stärker belastet werden. Als Richtwert wird hierbei stets die höherwertige der beiden Sperrschichttemperaturen θ = max{θjT,θD} herangezogen. Diese größte Sperrschichttemperatur θj wird an das Vergleichsmodul 17 zurückge- führt.The difference in the current reduction Δl from the maximum current I max gives the magnitude of the motor current I from the control unit is set by outputting the corresponding control signal Si. The motor current I is also fed as an input value to a temperature module 19, in which the junction temperature θj is calculated. The temperature module 19 shown in simplified form in FIG. 6 executes the model system 10 comprising two thermal models 20 and 21. The model 20 is adapted to the calculation of the junction temperature θ T of the power component 4, while the model 21 is intended to calculate the junction temperature θ JD of the power component 5. Both thermal models 20 and 21 take into account the sensor temperature θ s as an additional input variable. The separate calculation of the junction temperatures θ JT or θjo is advantageous in that, depending on the current operating state, the power component 4 - that is to say the transistors - or the power component 5 - that is to say the diodes - is subjected to greater thermal stress. The higher value of the two junction temperatures θ = max {θj T , θ D } is always used as a guideline. This greatest junction temperature θj is fed back to the comparison module 17.
Die zur Berechnung der Sperrschichttemperaturen θjT,θD der Leistungsbauteile 4 bzw. 5 verwendeten thermischen Modelle 20 und 21 beruhen jeweils auf einer Hintereinanderschaltung von n (n = 1, 2, 3, ... ) thermischen RC-Gliedern mit je einem Wärmewiderstand und einer Wärmespeicherkapazität. Jedes RC-Glied ist durch eine Zeitkonstante charakterisiert, mit welcher ü- ber dem RC-Glied eine Temperaturdifferenz entsteht oder relaxiert. Bei Hintereinanderschaltung von n RC-Gliedern spricht man auch von einem thermischen Modell n-ten Grades. Das komplexe Wärmeleitverhalten des Stromumrichters 3 wird somit auf ein Ersatzschaltbild abgebildet, wie es von elektrischen Stromkreisen her bekannt ist, und mittels der bekannten ohm- schen Regeln für Stromkreise mathematisch behandelt.The thermal models 20 and 21 used to calculate the junction temperatures θj T , θ D of the power components 4 and 5 are based on a series connection of n (n = 1, 2, 3, ...) thermal RC elements, each with a thermal resistance and a heat storage capacity. Each RC element is characterized by a time constant with which a temperature difference arises or relaxes above the RC element. When n RC elements are connected in series, one also speaks of a thermal model of nth degree. The complex thermal conductivity behavior of the current converter 3 is thus mapped onto an equivalent circuit diagram, as is known from electrical circuits, and is dealt with mathematically by means of the known ohmic rules for circuits.
Die Anzahl n hintereinander geschalteter RC-Glieder wird nach Bedarf gewählt. Für die in FIG 6 angedeuteten thermischen Mo- delle 20 und 21 ist jeweils n = 2 festgelegt. Ebenso sind die Parameter jedes thermischen Modells 20 und 21, also die Wärmewiderstände Rthi bis Rth. und die zugehörigen Zeitkonstanten Ti bis T4 derart festgelegt, dass das thermische Modell 20,21 das Wärmeleitverhalten der Materialstrecke zwischen dem Temperatursensor 8 und der Halbleitersperrschicht des jeweils beschriebenen Leistungsbauteils 4 oder 5 möglichst genau wiedergibt.The number n of RC elements connected in series is selected as required. For the thermal models indicated in FIG. delle 20 and 21 is set to n = 2. Likewise, the parameters of each thermal model are 20 and 21, that is, the thermal resistances Rthi to Rth. and the associated time constants Ti to T 4 are set such that the thermal model 20, 21 reproduces the thermal conductivity of the material path between the temperature sensor 8 and the semiconductor barrier layer of the power component 4 or 5 described in each case as precisely as possible.
Die innerhalb einer Abtastzeit T an einem beliebigen RC-Glied anfallende Temperaturdifferenz Δθx lässt sich in linearer und zeitdiskreter Näherung berechnen durch Gig. 1:The temperature difference Δθ x that occurs at any RC element within a sampling time T can be calculated in a linear and discrete-time approximation by gig. 1:
Δ^(fc)= (*-l)*^*/ζw+^=^*Δ^(*-l)Δ ^ (fc) = (* -l) * ^ * / ζ w + ^ = ^ * Δ ^ (* - l)
1x 1x 1 x 1 x
Hierbei ist T eine vorgegebene Abtastzeit und k ein ganzzahliger Zählindex, der die k-te Abtastperiode kennzeichnet. Der Zählindex k ist mit der Zeit t über die Beziehung t = kT verbunden. Die Variable X=l,2,... wird als Zähler verwendet, der die einem gemeinsamen RC-Glied zugehörigen Größen kennzeichnet.Here, T is a predetermined sampling time and k is an integer counting index, which identifies the kth sampling period. The counting index k is connected to the time t via the relationship t = kT. The variable X = 1, 2, ... is used as a counter that identifies the variables belonging to a common RC element.
Bei einer Hintereinanderschaltung von mehreren RC-Gliedern summieren sich die von jedem einzelnen RC-Glied verursachten Temperaturdifferenzen Δθx. Die Sperrschichttemperatur θJT des Leistungsbauteils 4 berechnet sich demnach gemäß Gig. 2:If several RC elements are connected in series, the temperature differences Δθ x caused by each individual RC element add up. The junction temperature θ JT of the power component 4 is accordingly calculated according to gig. 2:
Figure imgf000018_0001
Figure imgf000018_0001
Die Sperrschichttemperatur θjD des Leistungsbauteils 5 berechnet sich analog gemäß Gig. 3:The junction temperature θj D of the power component 5 is calculated analogously according to the gig. 3:
Figure imgf000018_0002
Die Gleichungen 2 und 3 gehen in die Darstellung des Temperaturmoduls 19 gemäß FIG 7 ein, das nach Art eines so genannten z-transformierten Signal-Flussdiagramms dargestellt ist. Die Struktur des Diagramms gemäß FIG 7 beruht dabei auf der z- Transformation, d.h. einer Laplace-Transformation der zeitdiskreten Gleichungen 2 und 3. Die mathematischen Grundlagen der z-Transformation sind beispielsweise in A.V. Oppenheimer und A.S. Wilsky, Signale und Systeme, VCH Verlagsgesell- schaft, Weinheim, Kap. 10-11 beschrieben.- Das Diagramm gemäß FIG 7 ist dahingehend zu verstehen, dass im z-transformierten Bild die Multiplikation eines Signals mit dem z_1-Operator eine Verzögerung des Signals um eine Abstastzeit T bewirkt. Im Diagramm gemäß FIG 7 verzögert somit jeder mit z"1 bezeichnete Block das entsprechende Signal um eine
Figure imgf000018_0002
Equations 2 and 3 are included in the representation of the temperature module 19 according to FIG. 7, which is represented in the manner of a so-called z-transformed signal flow diagram. The structure of the diagram according to FIG. 7 is based on the z-transformation, ie a Laplace transformation of the discrete-time equations 2 and 3. The mathematical foundations of the z-transformation are described, for example, in AV Oppenheimer and AS Wilsky, Signals and Systems, VCH Verlaggesellschaft shaft, Weinheim, chap. 10-11. The diagram according to FIG. 7 is to be understood in such a way that in the z-transformed image the multiplication of a signal by the z _1 operator causes the signal to be delayed by a sampling time T. In the diagram according to FIG. 7, each block labeled z "1 thus delays the corresponding signal by one
Abstastzeit T. Außerdem erscheinen die beiden in Serie geschalteten RC-Glieder 22,23 des thermischen Modells 20 als parallele Zweige einer Summe. Analog wird das thermische Modell 21 aus den RC-Gliedern 24 und 25 gebildet.Scanning time T. In addition, the two RC elements 22, 23 of the thermal model 20 connected in series appear as parallel branches of a sum. Analogously, the thermal model 21 is formed from the RC elements 24 and 25.
Das Temperaturmodul 19 arbeitet im Einzelnen wie folgt. In einem Leistungsmodul 26 wird unter Berücksichtigung der e- lektrischen Motorfrequenz ωeι, des Motorstroms I, der mit dem Eingangsstrom IE korrespondieren EingangsSpannung UE, der Schaltfrequenz fs, des Leistungswinkels cosφ, d.h. des Phasenwinkels zwischen der StanderSpannung und dem Ständerstrom des Motors 2, sowie des Ansteuergrads m, d.h. der Anschaltdauer eines Leistungsbauteils 4,5 während einer Schaltperiode, in an sich bekannter Weise die in den Leistungsbauteilen 4 und 5 pro Abtastzeit T anfallende Verlustleistung Pτ bzw. PD berechnet. Ein derartiges Berechnungsverfahren ist beispielsweise in der WO 94/21020 beschrieben.The temperature module 19 works in detail as follows. In a power module 26 is ι taking into account the e- lektrischen motor frequency ω e, the motor current I, which correspond to the input current I E input voltage U E, the switching frequency f s, cos of the power angle, the phase angle that is between the StanderSpannung and the stator current of the Motor 2, as well as the control degree m, that is, the turn-on time of a power component 4, 5 during a switching period, calculates in a manner known per se the power dissipation P τ or P D occurring in the power components 4 and 5 per sampling time T. Such a calculation method is described for example in WO 94/21020.
Die berechnete Verlustleistung Pτ wird in einem Verzögerungs- modul 27 um eine Taktzeit verzögert. Gleichzeitig wird in einem zweiten Verzögerungsmodul 28 die aktuelle, dem RC-Glied 22 entsprechende Temperaturdifferenz Δθi verzögert. Während der darauf folgenden Abtastperiode wird, entsprechend Gig. 1, die verzögerte Verlustleistung Pτ im RC-Glied 22 mit T/Ti und dem Wärmewiderstand Rthi multipliziert und zu dem mit (T- Ti) /Ti multiplizierten, verzögerten Temperaturdifferenz Δθx addiert. Das Ergebnis wird wiederum im Verzögerungsglied 28 verzögert. Wieder eine Abtastperiode später wird die vom Verzögerungsglied 28 freigegebene Temperaturdifferenz Δθx mit der auf gleiche Weise gewonnenen Temperaturdifferenz Δθ2 des RC-Glieds 23 addiert. Das Ergebnis wird schließlich zur Sen- sortemperatur θs addiert, wodurch die Rechenvorschrift gemäß Gleichung 2 ausgeführt ist und die Sperrschichttemperatur θJT als Ergebnis ausgegeben wird. Die Sperrschichttemperatur θJD des Leistungsbauteils 5 wird auf analoge Weise mittels des thermischen Modells 21 berechnet. Die beiden Sperrschichttem- peraturen θJT und θJD werden in einem Auswahlmodul 29 verglichen, wobei die größere der beiden Sperrschichttemperaturen θjT und θjD als Sperrschichttemperatur θ weitergeführt wird.The calculated power loss P τ is delayed by a clock time in a delay module 27. At the same time, the current temperature difference Δθi corresponding to the RC element 22 is delayed in a second delay module 28. While the following sampling period, corresponding to gig. 1, the delayed power loss P τ in the RC element 22 multiplied by T / Ti and the thermal resistance Rthi and added to the delayed temperature difference Δθ x multiplied by (T-Ti) / Ti. The result is again delayed in the delay element 28. Another sampling period later, the temperature difference Δθ x released by the delay element 28 is added to the temperature difference Δθ 2 of the RC element 23 obtained in the same way. The result is finally added to the sensor temperature θ s , as a result of which the calculation rule is carried out in accordance with equation 2 and the junction temperature θ JT is output as the result. The junction temperature θ JD of the power component 5 is calculated in an analogous manner using the thermal model 21. The two junction temperatures θ JT and θ JD are compared in a selection module 29, the larger of the two junction temperatures θ j T and θ j D being continued as the junction temperature θ.
Im Gegensatz zu herkömmlichen thermischen Modellen, die mit konstanten Wärmewiderständen und Zeitkonstanten arbeiten, werden die Wärmewiderstände Rthi des Rth. der thermischen Modelle 20 und 21 fortlaufend an die Umgebungsverhältnisse des Stromumrichters 3 angepasst. Diese Anpassung erfolgt in Abhängigkeit der Kühlmitteleinlauftemperatur QWf die das Wär e- leitverhalten des Stromumrichters 3 in entscheidendem Maße beeinflusst. Die Kühlmitteleinlauftemperatur θw wird unter Verwendung eines weiteren thermischen Modells 30 dritten Grades mit den Wärmewiderständen Rth5 bis Rth sowie den zugehörigen Zeitkonstanten T5 bis T7 berechnet. In das Modell 30 geht dabei die Summe der in den Leistungsbauteilen 4 und 5 angefallenen Verlustleistungen PD + Pτ als Eingangsgröße ein. Die Wassereinlauftemperatur θw wird als Eingangsgröße einem Adaptionsmodul 31 zugeführt. Der Adaptionsmodul 31 passt die Wärmewiderstände Rthi bis Rth7 nach durch die Gig. 4 und 5In contrast to conventional thermal models, which work with constant thermal resistances and time constants, the thermal resistances Rthi of the Rth. of the thermal models 20 and 21 continuously adapted to the environmental conditions of the converter 3. This adaptation takes place as a function of the coolant inlet temperature Q Wf, which has a decisive influence on the thermal conductivity of the converter 3. The coolant inlet temperature θ w is calculated using a further third-degree thermal model 30 with the thermal resistances R t h5 to Rth and the associated time constants T 5 to T 7 . The model 30 includes the sum of the power losses P D + P τ in the power components 4 and 5 as an input variable. The water inlet temperature θ w is fed as an input variable to an adaptation module 31. The adaptation module 31 adjusts the thermal resistances Rt h i to Rth7 through the gig. 4 and 5
*« ( ) = R** (50° [1 + JS {&w - 50°C)] (X=l , 2 , 3 , 4 ) ΛÄr(A) = Λ*r(50o )*[l + αΛF(^ -50oC)] (X=5, 6, 7 )* «() = R ** ( 50 ° [1 + JS {& w - 50 ° C)] (X = 1, 2, 3, 4) Λ Ä r (A) = Λ * r (50 o ) * [l + α ΛF (^ -50 o C)] (X = 5, 6, 7)
widergegebenen Widerstandskennlinien unter Verwendung der vorgegebenen Steigungen αJS und jw an. Anstelle der aus Ver- einfachungsgründen gewählten linearen Anpassung gemäß den Gig. 4 und 5 kann auch eine beliebige Funktion der Wärmewiderstände Rthi bis Rth7 in Abhängigkeit der Kühlmitteleinlauftemperatur θw gewählt werden. Die Abhängigkeit eines Wärmewiderstands Rthx (X=l, 2, ... , 7) von der Kühlmitteleinlauftempera- tur θw ist beispielhaft in FIG 8 dargestellt. Die angepassten Wärmewiderstände Rth (X=l, 2, ... , 7) werden vom Adaptionsmodul 31 wiederum als Eingangswerte den thermischen Modellen 20,21 und 30 zugeführt. reproduced resistance characteristics using the given slopes α JS and jw. Instead of the linear adjustment according to the gig chosen for reasons of simplification. 4 and 5, any function of the thermal resistances Rthi to Rth7 can also be selected depending on the coolant inlet temperature θ w . The dependence of a thermal resistance Rthx (X = 1, 2, ..., 7) on the coolant inlet temperature θ w is shown as an example in FIG. The adapted thermal resistances Rth (X = 1, 2, ..., 7) are in turn supplied by the adaptation module 31 as input values to the thermal models 20, 21 and 30.

Claims

Patentansprüche claims
1. Regelverfahren für einen elektrischen Antrieb (1) mit einem von einem Stromumrichter (3) stromversorgten Motor (2), bei dem zur Regelung des Motorstroms (I) die Sperrschichttemperatur (θj) mindestens eines Leistungsbauteils (4,5) des Stromumrichters (3) als Richttemperatur herangezogen wird, wobei die Sperrschichttemperatur (θj) unter Verwendung eines thermischen Modells (20,21) n-ten Grades aus n (n = 1,2,3,...) thermischen RC-Gliedern (22,23,24,25) mit je einem Wärmewiderstand (Rthi bis Rth4) und einer Zeitkonstante (Ti bis T4) bestimmt wird, und wobei mindestens ein Wärmewiderstand (Rthi bis Rth. ) und/oder eine Zeitkonstante (Ti bis T4) fortlaufend in Abhängigkeit mindestens einer Umgebungsvariablen (θw) des Stromumrichters (3) anhand einer vorgegebenen Widerstandskennlinie fortlaufend adaptiert wird.1. Control method for an electric drive (1) with a motor (2) powered by a current converter (3), in which the junction temperature (θj) of at least one power component (4, 5) of the current converter (3 ) is used as the target temperature, the junction temperature (θj) using a thermal model (20,21) nth degree from n (n = 1,2,3, ...) thermal RC elements (22,23, 24.25) with a thermal resistance (Rthi to Rth 4 ) and a time constant (Ti to T 4 ) is determined, and whereby at least one thermal resistance (Rthi to Rth.) And / or a time constant (Ti to T 4 ) is continuously in Dependency of at least one environmental variable (θ w ) of the current converter (3) is continuously adapted on the basis of a predetermined resistance characteristic.
2. Regelverfahren nach Anspruch 1, da du r ch g e k e nn z e i chn e t , dass die Sperrschichttemperatur (θj) zur Einstellung der Schaltfrequenz (fs) des Stromumrichters (3) herangezogen wird.2. Control method according to claim 1, since you r ch geke nn zei chn et that the junction temperature (θj) is used to adjust the switching frequency (f s ) of the power converter (3).
3. Regelverfahren für einen elektrischen Antrieb (1) mit einem von einem Stromumrichter (3) stromversorgten Motor (2), bei dem eine für den Stromumrichter (3) charakteristische3. Control method for an electric drive (1) with a motor (2) supplied with power by a current converter (3), in which one is characteristic of the current converter (3)
Richttemperatur (θj) ermittelt wird, und bei dem diese Richttemperatur (θj) für eine Einstellung der Schaltfrequenz (fs) des Stromumrichters (3) und des Motorstroms (I) herangezogen wird.Target temperature (θj) is determined, and at which this target temperature (θj) is used for setting the switching frequency (f s ) of the current converter (3) and the motor current (I).
4. Regelverfahren nach Anspruch 3, da dur ch g e k e nn z e i chn e t , dass als Richttemperatur die Sperrschichttemperatur (θj) mindestens eines Leistungsbauteils (4,5) des Stromumrichters (3) herangezogen wird.4. Control method according to claim 3, since by means of that the junction temperature (θj) of at least one power component (4, 5) of the current converter (3) is used as the target temperature.
5. Regelverfahren nach Anspruch 4, da du r c h g e k e nn z e i chn e t , dass die Sperrschichttemperatur (θj) unter Verwendung eines thermischen Modells (20,21) n-ten Grades aus n (n = 1,2,3,...) thermischen RC-Gliedern (22,23,24,25) mit je einem Wärmewiderstand (Rthi bis Rth.) und einer Zeitkonstante (Ti bis T4) bestimmt wird.5. Control method according to claim 4, since you rchgeke nn zei chn et that the junction temperature (θj) using a thermal model (20,21) nth degree from n (n = 1,2,3, ...) thermal RC elements (22,23,24,25) each with a thermal resistance (Rthi to Rth .) and a time constant (Ti to T 4 ) is determined.
6. Regelverfahren nach Anspruch 4 oder 5, d a du r ch g e k e nn z e i chne t , dass mindestens ein Wärmewiderstand (Rthi bis Rth4) und/oder eine Zeitkonstante (Ti bis T4) fortlaufend in Abhängigkeit mindestens einer Umgebungsvariab- len (θw) des Stromumrichters (3) anhand einer vorgegebenen Kennlinie fortlaufend adaptiert wird.6. Control method according to claim 4 or 5, since you know that at least one thermal resistance (Rthi to Rth 4 ) and / or one time constant (Ti to T 4 ) is continuously dependent on at least one environmental variable (θ w ) the current converter (3) is continuously adapted on the basis of a predetermined characteristic curve.
7. Regelverfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 6, d a - du r ch g e k e nn z e i chn e t , dass als Umgebungsva- riable die Kühlmitteleinlauftemperatur (θw) eines dem Stromumrichter (3) zugeordneten Kühlmittelkreislaufs (7) herangezogen wird.7. Control method according to one of claims 1 or 6, since it is known that the coolant inlet temperature (θ w ) of a coolant circuit (7) assigned to the current converter (3) is used as the environmental variable.
8. Regelverfahren nach Anspruch 7, da du r c h g e - k e nn z e i chn e t , dass die Kühlmitteleinlauftemperatur (θw) unter Verwendung eines thermischen Modells (30) n-ten Grades aus n (n = 1, 2, 3, ... ) thermischen RC-Gliedern mit je einem Wärmewiderstand (Rhs bis Rth7) und einer Zeitkonstante (T5 bis T7) bestimmt wird.8. Control method according to claim 7, since you rchge - ke nn zei chn et that the coolant inlet temperature (θ w ) using a thermal model (30) nth degree from n (n = 1, 2, 3, ... ) thermal RC elements each with a thermal resistance (Rhs to Rth7) and a time constant (T 5 to T 7 ) is determined.
9. Regelverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da du r ch g e k e nn z e i chn e t , dass die Sperrschichttemperatur (θJD,θjτ) mehrerer Leistungsbauteile (4,5) oder Bauteilgruppen separat ermittelt wird, und dass die jeweils höchste ermittelte Sperrschichttemperatur (θj = max{θJD,θjT} ) als Richttemperatur herangezogen wird.9. Control method according to one of claims 1 to 8, since you r ch geke nn zei chn et that the junction temperature (θ JD , θjτ) of several power components (4,5) or component groups is determined separately, and that the highest determined junction temperature (θj = max {θ JD , θj T }) is used as the target temperature.
10. Regelverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a - du r ch g e k e nn z e i chn e t , dass die Schaltfre- quenz (fs) des Stromumrichters (3) anhand einer vorgegebenen Kennlinie (11) in Abhängigkeit der Richttemperatur (θj) und in Abhängigkeit der elektrischen Motorfrequenz (ωc) eingestellt wird.10. Control method according to one of claims 1 to 9, since the switching frequency (f s ) of the current converter (3) is based on a predetermined characteristic curve (11) as a function of the target temperature (θj). and depending on the electrical motor frequency (ω c ) is set.
11. Regelverfahren nach Anspruch 10, d a du r ch g e - kenn z e i chne t , dass die Schaltfrequenz (fs) erniedrigt wird, wenn die Richttemperatur (θj) eine erste Grenztemperatur (θi) überschreitet.11. The control method as claimed in claim 10, since it indicates that the switching frequency (f s ) is reduced when the target temperature (θj) exceeds a first limit temperature (θi).
12. Regelverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a - dur ch g e k enn z e i chn e t , dass der Motorstrom12. Control method according to one of claims 1 to 11, d a - dur ch g e k enn z e i chn e t that the motor current
(I) erniedrigt wird, wenn die Richttemperatur (θ) eine zweite Grenztemperatur (θ2) überschreitet.(I) is lowered when the target temperature (θ) exceeds a second limit temperature (θ 2 ).
13. Regelverfahren nach Anspruch 11 oder 12, da du r ch g e k e nn z e i chn e t , dass die erste Grenztemperatur13. Control method according to claim 11 or 12, since you r ch g e k e nn z e i chn e t that the first limit temperature
(θi) zu kleinen elektrischen Motorfrequenzen (ωc) hin abnimmt.(θi) decreases towards small electrical motor frequencies (ω c ).
14. Regelverfahren nach Anspruch 12 oder 13, da du r c h g e k e nn z e i chn e t , dass die zweite Grenztemperatur14. Control method according to claim 12 or 13, since you r c h g e k e nn z e i chn e t that the second temperature limit
(θ2) zu großen elektrischen Motorfrequenzen (ωc) hin abnimmt.(θ 2 ) decreases towards large electrical motor frequencies (ωc).
15. Regelverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, da du r ch g e k enn z e i chn e t , dass bei einer ersten kleinen elektrischen Motorfrequenz (ωc) die erste15. Control method according to one of claims 12 to 14, since you r ch gek enn zei chn et that at a first small electric motor frequency (ω c ) the first
Grenztemperatur (θi) die zweite Grenztemperatur (θ2) unterschreitet, während bei einer zweiten, vergleichsweise großen elektrischen Motorfrequenz (ωc) die erste Grenztemperatur (θi) die zweite Grenztemperatur (θ2) etwa gleicht oder diese überschreitet.Limit temperature (θi) falls below the second limit temperature (θ 2 ), while at a second, comparatively large electrical motor frequency (ωc) the first limit temperature (θi) approximately equals or exceeds the second limit temperature (θ 2 ).
16. Regelverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da du r ch g e k e nn z e i chn e t , dass zur Regelung des Motorstroms (I) die Motortemperatur (θM) als Richttemperatur herangezogen wird. 16. Control method according to one of claims 1 to 15, since you r ch geke nn zei chn et that the motor temperature (θ M ) is used as a guide temperature for regulating the motor current (I).
17. Regelverfahren nach Anspruch 16, da du r ch g e ke nn z e i chn e t , dass der Motorstrom (I) erniedrigt wird, sobald die Motortemperatur (θM) eine dritte Grenztemperatur (θ3) überschreitet.17. Control method according to claim 16, since you r ch ge ke nn zei chn et that the motor current (I) is reduced as soon as the motor temperature (θ M ) exceeds a third limit temperature (θ 3 ).
18. Regelverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, da dur ch ge kenn z e i chn e t , dass die Schaltfrequenz (fs) des Stromumrichters (3) bei gegebenem Motorstrom (I) derart eingestellt ist, dass die Antriebsverlustleistung minimal ist. 18. Control method according to one of claims 1 to 17, since by ge kenn zei chn et that the switching frequency (f s ) of the current converter (3) for a given motor current (I) is set such that the drive power loss is minimal.
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